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隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 能源短缺問題越來越嚴(yán)重.循環(huán)冷卻水在工業(yè)用水中普遍使用, 是能源消耗的重點(diǎn)域.據(jù)不統(tǒng)計(jì), 我國(guó)循環(huán)水每年耗電約300~450億kW·h^[1].冷卻塔是冷卻水循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備, 也是循環(huán)水耗能的重要部件.在要求節(jié)能減排的大背景下, 冷卻塔自身的節(jié)能刻不容緩.我國(guó)冷卻塔行業(yè)起步比發(fā)達(dá)國(guó)家晚, 但發(fā)展迅速, 與國(guó)外相比差距逐漸縮小, 特別是近年來由于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)在填料、散水裝置及風(fēng)機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)中得到越來越多的應(yīng)用, 使得冷卻塔的研究創(chuàng)新方面得到較快發(fā)展, 這也為冷卻塔的節(jié)能提供了保障.本文從以下幾個(gè)方面分析冷卻塔節(jié)能中仍有待加強(qiáng)的工作:通過的科技手段如數(shù)值模擬方法推動(dòng)冷卻塔節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì); 對(duì)已有冷卻塔中影響換熱能力的零部件進(jìn)行挖潛改造或替換; 加強(qiáng)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的科學(xué)管理, 如冷卻塔的控制及循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)處理等, 優(yōu)化配置, 著眼長(zhǎng)遠(yuǎn), 實(shí)現(xiàn)整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)的能源節(jié)約.

近年來, 隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展, 數(shù)值模擬與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷, 許多冷卻塔生產(chǎn)廠家已開始或嘗試采用計(jì)算機(jī)流場(chǎng)模擬手段對(duì)冷卻塔開展分析和計(jì)算, 并在冷卻塔的諸多細(xì)節(jié)中考慮采用節(jié)能措施, 提高冷卻塔效率.比如, 針對(duì)動(dòng)能回收風(fēng)筒、氣室導(dǎo)流、均勻布水系統(tǒng) (包括噴嘴的篩選)、低能耗率填料的篩選、進(jìn)風(fēng)高度的確定、水泵揚(yáng)程的優(yōu)化選擇以及降低濕空氣回流率以提升冷卻塔運(yùn)行效果等進(jìn)行研究.采用微觀研究方法可快速、直觀地描述研究對(duì)象的狀態(tài), 包括溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、分子擴(kuò)散軌跡等.這樣就可以針對(duì)性地采取各種方法, 促進(jìn)冷卻塔節(jié)能.

淋水填料是冷卻塔的核心部件, 是冷卻塔中空氣與熱水進(jìn)行熱質(zhì)交換的主要場(chǎng)所, 其熱力性能和阻力性能直接影響冷卻塔的冷卻效果, 也是間接體現(xiàn)能耗高低的關(guān)鍵部件, 因此要充分掌握填料的應(yīng)用條件.一般來說, 填料的散質(zhì)系數(shù)大, 比表面積大, 但是其阻力小, 能耗低.對(duì)比國(guó)內(nèi)外同類填料的熱力特性發(fā)現(xiàn), 雖然它們都是薄膜式填料, 單位體積的密度相近, 比表面和孔隙率也相近, 僅細(xì)節(jié)部分的構(gòu)造有所區(qū)別, 但熱力特性相差較大.性能高的填料完成相同的設(shè)計(jì)任務(wù), 所需的氣水比小, 風(fēng)機(jī)耗功少.除了繼續(xù)開發(fā)新的填料品種外, 也要注重開發(fā)現(xiàn)有填料的潛力, 改進(jìn)試驗(yàn)裝置及方法.在進(jìn)行熱力測(cè)試的同時(shí), 對(duì)不同淋水密度和風(fēng)速下的填料特性給予區(qū)分, 并針對(duì)不同的氣象條件與不同的運(yùn)行區(qū)間加以論證, 這樣填料的特性才能在實(shí)踐中得到充分有效的運(yùn)用.不應(yīng)在冷卻塔的設(shè)計(jì)時(shí)不顧其運(yùn)行的邊界條件和氣象條件、進(jìn)出水水溫等, 將熱力特性方程β_xv=Bg^mqⁿ, Ω=Aλ^m₁[2]中的系數(shù)A和B均作為常數(shù)考慮, 其中:β_xv為容積散質(zhì)系數(shù); m、m₁、n均為試驗(yàn)常數(shù), 不同冷卻塔均有各自的常數(shù); g為空氣質(zhì)量流量; q為冷卻塔的淋水密度; Ω為冷卻數(shù); λ為氣水比.另外, 實(shí)際冷卻塔中的配水條件和配風(fēng)條件與實(shí)驗(yàn)室的條件不盡相同, 所以設(shè)計(jì)出的冷卻塔不能充分發(fā)揮出填料特性, 結(jié)果導(dǎo)致冷卻塔在運(yùn)行中難以達(dá)到節(jié)能效果.

冷卻塔的散水系統(tǒng)通常包括主管、支管、噴嘴等.研究散水系統(tǒng)除了追求噴嘴的均勻性外, 還要考慮復(fù)合布置時(shí)噴嘴布水的均勻性, 以及噴嘴的散水壓力.目低壓力噴嘴的工作水壓一般在1.0~3.0 m.改善冷卻塔布水的均勻性, 對(duì)噴嘴的合理布置設(shè)計(jì)特別重要.冷卻塔良好的熱力特性和布水均勻性密不可分.布水均勻性不好, 復(fù)合分布的評(píng)價(jià)系數(shù)均方差σ就大, 那么冷卻塔與節(jié)能就無從談起.目可以利用計(jì)算機(jī)CFD (computational fluid dynamics) 模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的手段, 提高噴嘴分布的均勻性, 從而明顯縮短布水均勻性的驗(yàn)證時(shí)間, 提升效率.

冷卻塔內(nèi)空氣流動(dòng)時(shí)經(jīng)過的通道十分復(fù)雜, 如氣流經(jīng)過入口轉(zhuǎn)彎、淋水填料入口與出口的突然收縮和擴(kuò)大、收水器中氣流轉(zhuǎn)折及氣液分離、風(fēng)筒入口和出口的轉(zhuǎn)彎變化等過程.氣流的急劇變化使得流動(dòng)的阻力加大, 冷卻塔風(fēng)機(jī)靜壓增大, 還有流速的驟變更易引起氣流分離等問題.這種現(xiàn)象使得冷卻塔耗能增加, 塔內(nèi)風(fēng)速分布不均勻.比如, 模擬研究發(fā)現(xiàn), 一定條件下氣流在冷卻塔流場(chǎng)中的壓力比在5~8時(shí), 就要設(shè)計(jì)導(dǎo)流檐^[3], 否則入口氣流的渦流, 有時(shí)會(huì)造成通過塔壁周圍填料的風(fēng)速僅為整個(gè)冷卻塔填料平均風(fēng)速的20%, 而這部分填料面積約占整個(gè)填料面積的10%~20%.于是這些填料難以充分發(fā)揮散熱作用, 熱力性能就達(dá)不到設(shè)計(jì)要求.流場(chǎng)模擬時(shí)可以通過模擬流體的流動(dòng)、換熱等物理現(xiàn)象, 在較短的時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)冷卻塔內(nèi)的流場(chǎng), 為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo), 并為設(shè)計(jì)提供參考.模擬后通過較少的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 即可獲得更為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù), 使得空氣流在冷卻塔內(nèi)的流道合理緊湊, 零部件的阻力進(jìn)一步減小, 使冷卻塔節(jié)能技術(shù)的發(fā)展更迅速.

為了使冷卻塔的節(jié)能技術(shù)得到健康有序地發(fā)展, 相關(guān)機(jī)構(gòu)擬定了節(jié)能冷卻塔的標(biāo)準(zhǔn), 如CQC 3136—2012^[4], 使冷卻塔節(jié)能的量化指標(biāo)有了評(píng)價(jià)與遵循的依據(jù).

由于受技術(shù)條件等限制, 冷卻塔可能在零部件和各部件匹配優(yōu)化等方面存在諸多需要挖潛改造之處, 比如散水系統(tǒng)、填料以及氣流通道中易造成氣流繞流分離和脫流的零部件等.通過挖潛改造可提高冷卻塔運(yùn)行效率, 降低能源消耗.下面對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)要論述.

減小循環(huán)水的供水壓力, 降低循環(huán)水水泵的揚(yáng)程時(shí), 節(jié)能.例如, 系統(tǒng)循環(huán)水量為1 000 m³·h^-1時(shí), 揚(yáng)程降低2 m, 可節(jié)能7.8 kW.按每年運(yùn)行4 000 h計(jì), 可節(jié)電31 200 kW·h, 節(jié)能量十分可觀.另外, 入風(fēng)口高度降低也可以降低冷卻塔供水揚(yáng)程, 但是要與冷卻塔入風(fēng)口風(fēng)速一并考慮.入風(fēng)口高度降低, 入風(fēng)面積隨之減小, 入口風(fēng)速則會(huì)增加, 風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全壓增大, 反而使風(fēng)機(jī)耗能增加, 達(dá)到一定程度時(shí)氣流分離的渦流現(xiàn)象嚴(yán)重, 又會(huì)使冷卻塔性能降低.

冷卻塔入風(fēng)口、風(fēng)機(jī)下緣、風(fēng)筒入口支撐梁、散水系統(tǒng)及其支撐架等, 通常會(huì)影響氣流通過.將一些支撐梁或支撐架的直角改造成圓弧, 以減少支撐梁或支撐架后氣體繞流分離和渦流區(qū)域, 可降低系統(tǒng)運(yùn)行的空氣阻力.目已有許多這方面的工程改造案例, 并取得了很好的效果.

, 我國(guó)地域廣闊, 各地氣象條件千差萬別, 冷卻塔運(yùn)行的氣象條件、用途等都不同, 要因地制宜地規(guī)劃選用和使用冷卻塔.冷卻塔運(yùn)行時(shí), 可以對(duì)出塔水溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 根據(jù)出水溫度調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速, 使得出塔水溫接近設(shè)備預(yù)設(shè)的溫度, 這樣既有利于設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行, 又有利于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命.目常用的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方式有選用雙速電機(jī)或者采用變頻控制, 控制技術(shù)也十分成熟.下面舉例說明運(yùn)行控制方式對(duì)冷卻塔節(jié)能產(chǎn)生的影響.

例如, 上海夏季空調(diào)外界設(shè)計(jì)濕球溫度為28.2 ℃, 冷卻循環(huán)水的進(jìn)、出塔水溫分別為37、32 ℃, 若循環(huán)水量為1 000 m³·h^-1, 則在該條件下冷卻塔選用的風(fēng)機(jī)功率為37 kW.

規(guī)劃冷卻塔時(shí)應(yīng)考慮上海室外溫度.2001—2010年上海地區(qū)每月平均氣溫如圖 1所示.

圖 1 上海地區(qū)每月平均氣溫 (2001—2010年)Fig.1 Monthly mean temperature in Shanghai (2001-2010)

空調(diào)負(fù)荷, 即空調(diào)區(qū)夏季計(jì)算的熱量可根據(jù)下列各項(xiàng)確定^[5]:① 通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量; ② 通過外窗進(jìn)入的太陽(yáng)輻射熱量; ③ 人體散熱量; ④ 照明散熱量; ⑤ 設(shè)備、器具、管道及其他內(nèi)部熱源的散熱量; ⑥ 食物或者其他物料的散熱量; ⑦ 滲透空氣帶入的熱量; ⑧ 伴隨著各種散濕過程中產(chǎn)生的各種潛熱量.

由于應(yīng)用場(chǎng)合不同, 各因素產(chǎn)生熱量的比例不同.本文僅考慮由氣溫變化引起的對(duì)流所產(chǎn)生的負(fù)荷.根據(jù)氣象條件, 5~9月一般是使用空調(diào)的月份.熱的月份7月和8月平均氣溫接近30 ℃, 負(fù)荷; 6月和9月平均溫度為25 ℃, 負(fù)荷次之; 5月室外平均溫度在22 ℃左右, 負(fù)荷小, 暫且忽略.

假設(shè)僅考慮熱對(duì)流, 且7月負(fù)荷為Q, 估算空調(diào)每月負(fù)荷與7月的比值.

熱對(duì)流熱量為

(1)

式中:CL_E為外墻、屋頂或者外窗形成的逐時(shí)冷負(fù)荷, W; K為外墻、屋頂或者外窗傳熱系數(shù), W·m^-2·℃^-1; F為外墻、屋頂或者外窗傳熱面積, m²; t_w1為外墻、屋頂或者外窗逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算溫度, ℃; t_n為夏季空調(diào)室內(nèi)計(jì)算溫度, ℃.

分別將各月份溫度條件代入式 (1), 求得各月負(fù)荷與熱月負(fù)荷比值, 結(jié)果如圖 2所示.

圖 2 各月負(fù)荷與熱月負(fù)荷比值Fig.2 Ratio of monthly heat load to heat load in the hottest month

冷卻塔釋放的熱量與風(fēng)量一次方成正比, 風(fēng)機(jī)風(fēng)量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一次方成正比, 而風(fēng)機(jī)耗功率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比.即相同的風(fēng)機(jī)在相同角度下, 有

(2)

式中:n₁、n₂為冷卻塔風(fēng)機(jī)不同的轉(zhuǎn)速; G₁、G₂為冷卻塔風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的風(fēng)量; N₁、N₂為冷卻塔風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)消耗的軸功率.

基于以上負(fù)荷和風(fēng)機(jī)功率消耗與風(fēng)量比的關(guān)系, 假定設(shè)計(jì)條件為:冷卻塔進(jìn)水溫度為37 ℃, 出水溫度為32 ℃, 濕球溫度為28.2 ℃, 冷卻水循環(huán)水量為1 000 m³·h^-1.不同控制方式下, 冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)耗電量計(jì)算結(jié)果如表 1所示.

表 1 不同控制方式下電機(jī)耗電量Table 1 Motor power consumption under different operation modes

由表 1可以看出, 采用變頻控制節(jié)能顯著, 即用電量省, 僅為常規(guī)單速電機(jī)消耗電量的50.9%;雙速控制能耗次之, 為常規(guī)控制耗電的57.4%.可見, 冷卻塔規(guī)劃和采用的控制方式不同, 其電能消耗量差異較大, 所以合理的規(guī)劃和選用對(duì)冷卻塔系統(tǒng)節(jié)能的意義非同一般.對(duì)于空調(diào)域中負(fù)荷隨季節(jié)變化的場(chǎng)合, 應(yīng)采用變頻器控制.采用變頻器控制還有一個(gè)作用, 由于它是根據(jù)負(fù)載變化不斷地調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)量, 冷卻塔出水溫度保持相對(duì)穩(wěn)定, 水溫保持穩(wěn)定, 這對(duì)主機(jī)運(yùn)行有大的好處, 不容易產(chǎn)生“液擊”等問題, 有利于主機(jī)及制冷系統(tǒng)運(yùn)行.

在討論冷卻塔運(yùn)行節(jié)能時(shí), 循環(huán)冷卻水的水質(zhì)處理是常常被忽略的一個(gè)問題.但是循環(huán)水處理對(duì)冷卻塔節(jié)能同樣重要.要使冷卻塔穩(wěn)定運(yùn)行, 必須對(duì)循環(huán)水水質(zhì)加以控制.因?yàn)槔鋮s塔主要是靠蒸發(fā)傳質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞.隨著循環(huán)水中水分子的蒸發(fā), 其鈣鎂離子濃度不斷加大, 于是結(jié)垢問題變得突出.污垢往往存在于冷卻塔構(gòu)件上, 影響冷卻塔通風(fēng), 造成通風(fēng)阻力增加, 風(fēng)機(jī)耗功增加.結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)也同樣影響布水, 水流經(jīng)填料的通道變小, 循環(huán)水難以通過, 甚至?xí)斐商盍系奶?目市場(chǎng)上采用物理、化學(xué)等多種方法改善循環(huán)水水質(zhì), 使得循環(huán)水少結(jié)垢或延緩結(jié)垢, 以確保冷卻塔處于良好的運(yùn)行狀態(tài), 大大延長(zhǎng)其性能衰減的時(shí)間.常見的化學(xué)處理方法是在循環(huán)水中加入阻垢劑和殺菌滅藻劑等減緩循環(huán)管路、換熱器壁面及冷卻塔內(nèi)污垢的生成; 也有在循環(huán)水中加入臭氧作為殺生劑^[6]破壞微生物的生存環(huán)境, 使污垢難以附著在循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)件上, 從而提高冷卻塔換熱效率, 使冷卻塔節(jié)能效果在運(yùn)行中得以積累.

在目節(jié)能減排的大環(huán)境下, 冷卻塔節(jié)能刻不容緩.對(duì)于新塔來說優(yōu)化設(shè)計(jì)很重要, 要運(yùn)用新的科技手段來設(shè)計(jì)冷卻塔, 優(yōu)化冷卻塔中的填料、布水、風(fēng)機(jī)及塔內(nèi)流場(chǎng)等; 對(duì)于已經(jīng)運(yùn)行多年的已有冷卻塔進(jìn)行改造, 更換落后、低效能的零部件, 改進(jìn)影響流場(chǎng)的部件等; 冷卻塔的運(yùn)行管理也必須加以重視, 采用雙速電機(jī)或變頻控制等合理的方式使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨冷卻塔的負(fù)荷變化而變化, 從而達(dá)到節(jié)能的目的.另外, 對(duì)循環(huán)冷卻水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)和處理, 以減少系統(tǒng)中結(jié)垢, 保持冷卻塔運(yùn)行, 節(jié)約能源消耗.